Конденсатор (кожухотрубчатый теплообменник) для охлаждения и конденсации газового потока

спецификация.cdw

Пояснительная записка
КП ФЮРА.306200.013 ПЗ
КП ФЮРА.306200.013 СБ
КП ФЮРА.784200.000.01
КП ФЮРА.712501.000.02
КП ФЮРА.748500.000.03
КП ФЮРА.732002.000.04
КП ФЮРА.740031.000.08
Чертеж основного аппарата
КП ФЮРА.743800.000.05
КП ФЮРА.721003.000.06
КП ФЮРА.750432.000.07
КП ФЮРА.734500.000.09
КП ФЮРА.736800.000.10
КП ФЮРА.762103.000.11
КП ФЮРА.734050.000.12

Чертеж.cdw

Расход воды G=754 кгч;
Полная площадь поверхности теплообмена F=9
Рабочее давление в аппарате P=1 МПа;
Материал аппарата: сталь 12Х18Н10Т
Кожухотрубный теплообменник
При изготовлении аппарата должны выполняться требования:
) ГОСТ 12.2.003-74 "Оборудование производственное. Общие
требования безопасности." 2) ОСТ 26-291-79 "Сосуды и
аппараты стальные сварные."
Допускаемое давление на внутреннюю поверхность труб и
Допускаемое давление на решетку при развальцовке с
отбортовкой P=40 МПа.
Чертеж выполнен на осовании ГОСТ 1522-79.
Сварка произведена по ГОСТ 5264-80-С2.
-Размеры для справок.
Технические характеристики
Технические требования

Курсовой проект.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Специальность – Химическая технология материалов современной энергетики Кафедра – Химическая технология редких рассеянных и радиоактивных элементов
«ПРОЕКТ КОНДЕНСАТОРА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ И КОНДЕНСАЦИИ ГАЗОВОГО ПОТОКА»
курсовой проект по ПАХТ
Аналитический обзор рассматриваемого процесса4
2 Краткий обзор существующего аппаратурного оформления процесса производства11
Технологическая часть17
1 Технологическая схема17
2 Материальный расчет18
4 Механический расчет29
5 Аппаратурный расчет32
6 Гидравлический расчёт36
В химической промышленности широко распространены тепловые процессы – нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров которые проводятся в теплообменных аппаратах – теплообменниках.
На химических предприятиях часто проводят процессы охлаждения паров и газов сопровождающиеся конденсацией. Процессы конденсацииполучили широкое распространение в химической технологии для сжижения различных веществ за счет отвода от них тепла. Конденсацию паров часто используют в основных химико-технологических процессах например при выпаривании вакуум – сушке для создания разряжения. Конденсация – процесс перехода вещества при охлаждении из парообразного или газообразного состояния в жидкое. Объем получаемого конденсата в тысячу и более раз меньше объема пара из которого он образовался. Пары подлежащие конденсации обычно отводят в отдельный закрытый аппарат служащий для конденсации паров – конденсатор для охлаждения которых наиболее широко используют доступные и дешевые охлаждающие агенты – воду и воздух. По сравнению с воздухом вода (речная озерная артезианская или оборотная) отличается большой теплопроводностью более высокими коэффициентами теплоотдачи и позволяет проводить охлаждение до более низких температур.
По способу охлаждения различают конденсаторы смешения и поверхностные конденсаторы. В конденсаторах смешения пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой в связи с этим получаемый конденсат смешивается с последней. В таких аппаратах проводят конденсацию паров не представляющих особой ценности.
Аналитический обзор рассматриваемого процесса
Тепловые процессы или теплообмен – обобщенное название процессов передачи энергии в виде теплоты между телами имеющими различную температуру. Движущей силой процесса теплообмена является разность температур. Причем передача теплоты осуществляется от тела с большей к телу с меньшей температурой как при непосредственном соприкосновении теплоносителей так и через теплопроводящую стенку. Схема такого теплоносителя для фрагмента теплообменного аппарата изображена на рисунке 1.1.
– теплопередающая стенка (поверхность);
– пограничные пленки;
– области движения теплоносителей вдоль поверхности;
I II – области горячего и холодного теплоносителей.
Теплота (ее поток изображен левой вертикальной стрелкой) вводится в исследуемый фрагмент теплообменника с потоком горячего теплоносителя под действием постороннего побудителя. Далее поток теплоты через пограничную пленку примыкающую к поверхности со стороны горячего теплоносителя передается к границе поверхности проходит через стенку затем через пограничную пленку со стороны холодного теплоносителя (эти потоки теплоты изображены горизонтальными стрелками). Наконец теплота выводится из исследуемого фрагмента с холодным теплоносителем (правая вертикальная стрелка) [1].
Вещества и тела участвующие в процессе теплообмена называются теплоносителями. Горячие теплоносители – вещества с более высокой температурой отдающие теплоту в процессе теплообмена а вещества с более низкой температурой воспринимающие теплоту в процессе теплообмена называются холодными теплоносителями.
Различают стационарные и нестационарные теплообменные процессы. При стационарных процессах температура в каждой точке рабочего объема не меняется во времени. Это характерно для непрерывно действующих теплообменных устройств. При нестационарных процессах характерных для периодически действующего оборудования температура наоборот меняется во времени.
Иногда теплопереносу сопутствует перенос вещества из одной системы в другую или из одной фазы в другую.
К тепловым процессам используемым в промышленности относятся процессы нагревания охлаждения испарения и конденсации.
Кардинальной проблемой теплопереноса является установление закономерностей изменения температур в пространстве и во времени. При ее разрешении удается решать конкретные в том числе – практически важные задачи связанные с количествами переданной теплоты в системе в аппарате со временем процесса с размерами теплопередающих поверхностей.
Под теплопередачей понимают процесс переноса теплоты от одной среды к другой через разделяющую стенку (Рисунок 1.2 а) или от одного тела к другому через разделяющую их подвижную среду а именно жидкость или газ (Рисунок 1.2 б)
Теплоотдача при конденсации насыщенных паров представляет собой сложное явление одновременного переноса теплоты определяемой из теплоты парообразования и массы определяемой из количества сконденсированного пара. Этот вид теплопередачи протекает при изменении агрегатного состояния теплоносителей.
Конденсация насыщенного пара на охлаждаемой поверхности приводит к значительной интенсификации теплообмена по сравнению например с теплообменом от газа к стенке. При этом механизм конвекции совершенно иной. Молекулы пара не только переносятся к охлаждаемой стенке вихрями турбулентного потока но и создают еще и собственное поступательное движение к стенке так как на стенке происходит конденсация пара и резкое уменьшение его объема. Образовавшийся конденсат стекает по стенке а к стенке подходит свежий пар. Чем холоднее стенка тем интенсивнее идут конденсация и движение молекул пара к стенке. Перенос теплоты и основной массы пара к стенке идет настолько быстро что степень турбулизации потока не оказывает существенного влияния на процесс и часто может не учитываться в расчетах.
Конденсация паров любых веществ происходит при их контакте с поверхностями температура которых ниже чем температура насыщения. Температура насыщения – температура при которой начинается конденсация жидкости из пара зависит от давления.
На практике стараются конденсировать сухой насыщенный пар так как при этом выделяется максимальное количество энергии теплоты фазового перехода но в основном конденсируемый пар содержит какое-то количество неконденсирующихся газов например воздух.
Различают два вида конденсации на твердых поверхностях.
Первый вид – это капельная конденсация на активных случайно расположенных точках поверхности образуется малая капелька которая растет в размере до тех пор пока не сдвинется вниз под действием сил тяжести при чем если твердая поверхность не смачивается образовавшейся жидкостью то отрыв капли от поверхности происходит раньше а размер капель меньше. Чем выше температура стенки тем больше таких активных центров конденсации тем интенсивнее рост капель. В случае капельной конденсация коэффициент теплоотдачи намного выше (в 5-10 раз и более) чем при пленочной. Однако поддержание в условиях эксплуатации промышленных аппаратов устойчивой капельной конденсация затруднительно. Этот тип процесса конденсации используется редко ввиду его чувствительности к условиям ведения процесса.
Второй вид – это пленочная конденсация. При высокой интенсивности капельной конденсации капли соединяются формируя пленочный режим течения конденсата температура которого становится равной температуре стенки. Одновременно на пленке конденсата происходит фазовый переход при температуре насыщения.
При детальном рассмотрении теплопереноса от пара к стенке через стекающую пленку можно увидеть что основное термическое сопротивление определено в ламинарном подслое стекающей пленки (Рисунок 1.3). Ламинарный режим потока плавно переходит в турбулентный.
Отличие пленочной конденсации от теплопереноса от стенки к стекающей пленке жидкости заключается в том что толщина пленки конденсата увеличивается из-за потока массы пара к поверхности пленки при чем на поверхности пленка – пар выделяется теплота фазового перехода в любом случае переходящая к твердой стенке теплообменной поверхности.
Для ламинарного режима движения за счет гравитационных сил стекания пленки конденсата существует аналитическое решение в виде формулы Нуссельта:
где локальная толщина пленки мкм;
– локальный коэффициент теплоотдачи.
Формула Нуссельта (1.1) справедлива при
где - средняя скорость движения пленки мс;
Re – критерий Рейнольдса.
Формула Нуссельта 1.1.1 получена при условии 1.1.2 для неподвижного пара у поверхности ламинарно стекающей пленки конденсата. Если пар движется вдоль пленки а именно это имеет место на практике то коэффициент теплоотдачи начинает зависеть от скорости пара. При больших скоростях пара вдоль пленки сила его трения о конденсат превосходит силу гравитации и силу трения в самой пленке конденсата. При этом гипотезы Нуссельта перестают быть справедливыми и приходится обращаться к эксперименту.
В промышленных условиях часто приходится конденсировать пар в присутствии неконденсирующейся примеси например водяной пар с воздухом. При этом снижается давление пара и температура насыщения. Кроме этого растет концентрация неконденсирующейся примеси у поверхности пленки конденсата что приводит к уменьшению интенсивности теплоотдачи из – за массообменного сопротивления.
При конденсации паров из многокомпонентных смесей в газовой фазе происходят взаимосвязанные тепло- и массоперенос. При этом эффективный коэффициент теплопроводности смеси определяется природой и концентрациями компонентов.
В случае гомогенной смеси конденсатов происходит только пленочная конденсация в случае гетерогенной - смешанная например при конденсация бинарной смеси водяногопараи орг. вещества на твердой поверхности образуется жидкая пленка этого вещества покрывающаяся каплями влаги.
Конечная цель расчетов теплопередачи зависит от технического задания: проектирование нового аппарата по заранее известным технологическим данным или использование существующего теплообменника в какой-то технологии. В первом случае рассчитывается поверхность теплообменного аппарата а во втором – интенсивность теплообмена или количество передаваемой теплоты через известную поверхность теплообмена. В обоих случаях математический аппарат един – это уравнение теплопередачи:
где F – площадь поверхности теплообмена ;
– разность температур между телами и теплоносителем (температурный напор движущая сила) °С;
К – коэффициент теплопередачи Вт(м2·°С).
Уравнение 1.1.3 дает количественное значение переносимой теплоты через заданную поверхность аппарата которое может быть больше или меньше в зависимости от времени работы температурного режима и т. д.
Удельный тепловой поток выступает в качестве тепловой характеристики аппарата показывает интенсивность теплообменника а именно его тепловую мощность или максимальную способность к переносу теплоты:
где q – удельный тепловой поток Вт;
Из уравнения 1.1.4 следует что для конструирования высокоинтенсивного аппарата надо стремиться к максимальным значениям K и T
Оптимальным вариантом подбора теплообменника или другого теплообменного устройства является соизмеримость всех термических сопротивлений которые определяются из полученных коэффициентов теплоотдачи. Остальные величины как правило заданы техническим заданием [2].
По условию задания газовый поток состава NH3 и воздуха поступает через патрубок в основную часть аппарата (межтрубное пространство) при температуре 180 . По трубному пространству пространству течет холодный теплоноситель – вода с начальной температурой 25 . Горячий теплоноситель будет двигаться поперечным потоком относительно хладагента. При этом происходит теплообмен: горячий теплоноситель отдает тепло через стенки труб холодному теплоносителю. В аппарате происходит фазовый переход горячего теплоносителя из газовой в жидкую на поверхности стенок труб образуется конденсат который выводится из аппарата. Таким образом получаемый конденсат и охлаждающий агент отводят из конденсатора раздельно и конденсат если он представляет ценность может быть использован.
2 Краткий обзор существующего аппаратурного оформления процесса производства
Важную роль в химической промышленности играют тепловые процессы – нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров которые осуществляются в теплообменных аппаратах. Теплообменники используются практически во всех отраслях промышленности. Основная задача аппарата – регулирование температурного режима технологических процессов.
Все теплообменные аппараты применяемые в химической промышленности делятся на определённые группы по следующим признакам:
)по назначению (нагреватели испарители и кипятильники; холодильники конденсаторы и т. д.);
)по режиму работы (стационарный и нестационарный)
)по особенностям конструкции и т. д.
Холодильники и конденсаторы служат для охлаждения потока или конденсации паров с применением специальных хладагентов (вода воздух пропан хлористый метил фреоны и т. д.).
Поверхностные теплообменные аппараты можно разделить на следующие типы по конструктивным признакам:
Кожухотрубчатые теплообменники (рисунок 1.2.1) (жёсткого типа; с линзовым компенсатором на корпусе; с плавающей головкой; с U-образными трубками).
На рисунке 1.2.1.а изображен одноходовой теплообменник с прямыми трубками жесткой конструкции. Такие аппараты просты по устройству но могут применяться только при сравнительно небольших разностях температур между корпусом и пучком труб (до 50оС). Они имеют низкие коэффициенты теплопередачи вследствие незначительной скорости теплоносителя в межтрубном пространстве.
На рисунке 1.2.1.б изображен теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве и полужесткой мембранной компенсацией тепловых удлинений вследствие некоторой свободы перемещения верхней трубной доски.
В парожидкостных теплообменниках пар проходит обычно в межтрубном пространстве а жидкость – по трубам. Разность температур стенки корпуса и труб обычно значительна. Для компенсации разности тепловых удлинений между кожухом и трубами устанавливают линзовые (рисунок 1.2.1.в) сальниковые (рисунок 1.2.1.з и) или сильфонные (рисунок 1.2.1.ж) компенсаторы.
Для устранения напряжений в металле обусловленных тепловыми удлинениями изготавливают также однокамерные теплообменники с гнутыми U -образными трубами (рисунок 1.2.1.г д) Они целесообразны при высоких давлениях теплоносителей так как изготовление водяных камер и крепление труб в трубных досках в аппаратах высокого давления – операции сложные и дорогие. Однако такие аппараты не могут получить широкого распространения из-за трудности изготовления труб сложности их замены и неудобства чистки гнутых труб.
Компенсационные устройства сложны в изготовлении (мембранные сильфонные с гнутыми трубами) или недостаточно надежны в эксплуатации (линзовые сальниковые). Более совершенна конструкция теплообменника с жестким креплением одной трубной доски и свободным перемещением второй доски вместе с внутренней крышкой трубной системы (рисунок 1.2.1.е). Эти аппараты получили название теплообменников «с плавающей головкой».
Теплообменники с поперечным током (рисунок 1.2.1.к) отличаются повышенным коэффициентом теплоотдачи на наружной поверхности вследствие того что теплоноситель движется поперек пучка труб. При перекрестном токе снижается разность температур между теплоносителями однако при достаточном числе трубных секций различие в сравнении с противотоком невелико. В некоторых конструкциях таких теплообменников при протекании газа в межтрубном пространстве и жидкости в трубах для повышения коэффициента теплоотдачи применяют трубы с поперечными ребрами [3].
Теплообменники типа «труба в трубе»;
Теплообменный элемент такого аппарата показан на рисунке 1.2.2. Отдельные элементы соединены между собой патрубками и калачами образуя цельный аппарат необходимого размера. Эти теплообменники находят себе применение при небольших расходах теплоносителей и при высоких давлениях.
Подогреватели с паровым пространством (ребойлеры);
Ребойлер — это горизонтальный теплообменный аппарат имеющий две рабочие зоны: трубное пространство и межтрубное пространство каждое из которых имеет свое расчетное давление расчетную температуру и материальное исполнение.
Конденсаторы воздушного охлаждения.
Конденсаторы в свою очередь классифицируются в зависимости от характера охлаждающей среды - конденсаторы водяного воздушного и водо-воздушного охлаждения.
В зависимости от направления движения теплоносителей теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении противоточными при параллельном встречном движении а также при взаимно поперечном движении двух взаимодействующих сред.
Теплообменники могут быть вертикального и горизонтального исполнения. Оба варианта установки одинаково широко распространены и выбираются в основном по соображениям монтажа: вертикальные занимают меньшую площадь в цехе горизонтальные могут быть размещены в невысоком помещении. Материал изготовления теплообменников – углеродистая или нержавеющая сталь.
В настоящее время кожухотрубчатые теплообменники имеют наиболее широкое распространение (до 80% от всей теплообменной аппаратуры). Достоинством кожухотрубчатого теплообменника является возможность получения значительной поверхности теплообмена при сравнительно небольших габаритах. Недостатком является высокий расход материала по сравнению с некоторыми современными типами теплообменных аппаратов (спиральными пластинчатыми теплообменниками и т. д.).
Как правило промышленный конденсатор представляет собой систему труб закреплённых в трубных решётках. Трубки располагаются в трубном пучке в шахматном порядке или по вершинам треугольников. Трубные решетки закрываются крышками на прокладках и болтах или шпильках. На корпусе имеются патрубки (штуцера) через которые один теплоноситель проходит через межтрубное пространство. Второй теплоноситель через патрубки на крышках проходит по трубам.
Большую роль играет расположение теплообменника. Если же конденсатор – кожухотрубчатый теплообменник – расположен горизонтально то конденсат стекая с верхних труб на нижние увеличивает термическое сопротивление теплоотдачи поскольку растет слой конденсата. Если конденсатор расположен вертикально то толщина ламинарного подслоя конденсата увеличивается и при большой длине труб даже при турбулизации создает большое термическое сопротивление.
На интенсивность теплопередачи в конденсаторе влияют следующие факторы:
Скорость удаления жидкости с теплопередающей поверхности. При конденсации пара конденсат оседает на теплопередающей поверхности сплошной пленкой которая стекает по трубам затрудняет дальнейшую конденсацию пара.
Скорость движения пара. При большой скорости движения пара ускоряется движение пленки жидкости которая быстрее смывается с теплопередающей поверхности увеличивая коэффициент теплоотдачи.
Примесь воздуха и неконденсирующихся газов уменьшающая коэффициент теплопередачи и повышающая давление конденсации.
Отложения на стенках труб: со стороны воды — водного камня ржавчины. В конденсаторах с воздушным охлаждением - слоя пыли краски. Все эти отложения оказывают значительное термическое сопротивление уменьшая коэффициент теплопередачи.
Скорость движения воды. Чем выше скорость движения воды w (мс) тем больше коэффициент теплопередачи от стенки трубы к воде следовательно и коэффициент теплопередачи.
Для теплообмена при конденсации весьма важно состояние поверхности. При конденсации на умеренно окисленных поверхностях коэффициент теплоотдачи уменьшается на 15 – 20% а для сильно окисленных и шероховатых – примерно на 30 – 35% по сравнению с гладкими или полированными. Коррозия теплообменной поверхности может вывести конденсатор из расчетного режима.
Технологическая часть
1 Технологическая схема
Рисунок 2.1.1. – Технологическая схема кожухотрубчатого теплообменника типа Н.
Схема теплообменника с неподвижной трубной решеткой приведена на рисунке 2.1.1. В кожухе 3 размещен трубный пучок теплообменные трубы 4 которого развальцованы в трубных решетках 2. Трубная решетка жестко соединена с кожухом. Сверху и снизу кожух аппарата закрыт крышкой 1 и днищем 5. Для подвода и отвода теплоносителей аппарат снабжен штуцерами 7. Холодный теплоноситель (вода) движется по трубам горячий – в межтрубном пространстве ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб.
2 Материальный расчет
Цель: Определение выхода основного и побочных продуктов.
Только определив материальные потоки можно произвести конструктивные расчеты производственного оборудования оценить экономическую эффективность и целесообразность процесса.
Основой материального баланса являются законы сохранения массы вещества. Общая масса всех поступающих в аппарат материалов то есть приход равен общей массе выходящих материалов то есть расходу.
По условию объемный расход газового потока:
Содержание веществ в газе:
Температура горячего теплоносителя уменьшается от 180 до 10 ;
Температура холодного теплоносителя увеличивается от 25 до 90 .
Объемный расход по каждому веществу:
Массовый расход по каждому веществу рассчитывается с учетом плотностей в газовой фазе:
Степень конденсации веществ из газовой фазы в жидкую равна 98 %.
Находим количество конденсата по каждому веществу:
= 657·098 = 64386 кгч
В газовой фазе на выходе из конденсатора останется:
= 59 – 5782 = 118 кгч
= 657 – 64386 = 1314 кгч
Таблица 1.2.2 – Материальный баланс конденсатора.
Цель: определение тепловой нагрузки аппарата для нахождения поверхности теплообмена.
По рассчитанному коэффициенту теплопередачи и поверхности теплообмена производится подбор нормализированного варианта теплообменника по каталогам. Величину необходимой поверхности теплообмена определяем на основе уравнения теплопередачи (1.1.3).
Для нахождения тепловой нагрузки аппарата необходимо составить тепловой баланс процесса. Процесс идёт с изменением агрегатного состояния горячего теплоносителя.
Теплоту входного потока приносимую газовым потоком и конденсацией находим по формуле:
– теплота подводимая парами воды в аппарат кВт;
– теплота подводимая парами аммиака в аппарат кВт;
– теплота подводимая воздухом в аппарат кВт;
– теплота поступающая за счет конденсации паров воды кВт;
– теплота поступающая за счет конденсации паров аммиака кВт;
Теплота подводимая газовым потоком в аппарат находится по формуле:
где – приход исходных реагентов (таблица 1.2.2) кгч;
– удельная теплоемкость реагентов (таблица 1.2.3) кДжкг·К;
– температура входного потока К.
Таблица 1.2.3 Удельная теплоёмкость реагентов в газовой фазе при (давление 1 атм.)
Теплоемкость кДж кг·К
Теплота подводимая газовым потоком по формуле 2.3.2 равна:
·255·453= 6815385 кДжч = 1893 кВт;
= 657·236·453= 7023855 кДжч = 1951 кВт;
= 122·1022·453= 564818 кДжч = 157 кВт.
Теплота поступающая за счет конденсации паров находится по формуле:
где – теплота фазового перехода кДж;
– удельная теплота фазового перехода (таблица 2.2.3) кДжкг;
– масса газа перешедшего в жидкую фазу (таблица 2.2.2) кг.
Таблица 2.2.3 – Удельная теплота фазового перехода
Теплота фазового перехода по формуле 2.3.3. равна:
= 2260·5782 = 1306372 кДж = 363 кВт;
= 1373·64386 = 8840198 кДж = 2456 кВт.
Суммарная теплота входного потока по формуле 2.3.1 равна:
=1893 + 1951 +157 + 363 + 2456 = 10087 кВт.
Теплоту выходящего потока отводимую газовым потоком и конденсатом находим по формуле:
– теплота отводимая парами воды из аппарата кВт;
– теплота отводимая парами аммиака из аппарата кВт;
– теплота отводимая воздухом из аппарата кВт;
– теплота отводимая конденсатом воды кВт;
– теплота отводимая конденсатом аммиака кВт;
Теплота отводимая газовым потоком из аппарата находится по формуле:
– расход реагентов (таблица 2.2.2) кгч;
– удельная теплоемкость вещества (таблица 1.2.3) кДжкг·К;
– температура выходящего потока К.
Теплота отводимая газовым потоком по формуле 2.3.5 равна:
8·1976·283= 65986 кДжч = 018 кВт;
= 1314·236·283= 8775 кДжч = 0243 кВт;
= 12.2·1022·283= 352855 кДжч = 098 кВт.
Теплота отводимая конденсатом из аппарата находится по формуле:
– масса конденсата (таблица 2.2.2) кг;
– удельная теплоемкость вещества (таблица 3.2.3) кДжкг·К;
Теплота отводимая газовым потоком по формуле 2.3.6 равна:
3 = 6867576 кДжч = 1907 кВт;
=64386·4659·283 =8489274 кДжч = 2358 кВт.
Таблица 3.2.3 Удельная теплоёмкость веществ в жидкой фазе при (давление 1 атм).
Суммарная теплота выходного потока по формуле 2.3.4 равна:
= 018 + 0243 + 098 + 1907 + 2358 = 4405 кВт.
По разности между количествами приходящей и расходуемой теплоты определяем теплоту отводимую охлаждающей водой:
= 10087 – 4405 = 5682 кВт.
Находим расход холодного теплоносителя по формуле:
Находим объемный расход теплоносителя по формуле:
Таблица 4.2.3 – Тепловой баланс конденсатора.
Количество тепла кВт
Продолжение таблицы 1.2.3
Средняя разность температур входящая в уравнение теплопередачи 1.1.3 определяется следующим образом:
где – средняя разность температур К;
и – большая и меньшая разности температур на концах теплообменника.
Из уравнения 2.3.8 имеем:
Средние температуры теплоносителей:
Для нахождения коэффициента теплопередачи на первом этапе принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи и рассчитываем ориентировочное значение теплопередающей поверхности . по уравнению 1.1.3. После этого по ориентировочному значению теплопередающей поверхности подбираем по табличным данным нормализированный вариант конструкции теплообменного аппарата а затем проводим уточнённый расчёт коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи и площади требуемой поверхности.
По уравнению 1.1.3 находим ориентировочную поверхность теплообмена:
Таблица 5.2.3 – Параметры кожухотрубчатого теплообменника.
Поверхность теплообмена F
Диаметр кожуха внутренний D
Диаметр труб и толщина стенки d×
Площадь проходного сечения по трубам S
Рассчитываем критерий Рейнольдса для холодного теплоносителя:
где – линейная скорость потока мс;
– наружный диаметр м;
ρ – плотность вещества кг;
– вязкость вещества Пас.
Скорость рассчитываем по формуле:
где G – массовый расход холодного теплоносителя кгс;
S – площадь сечения одного хода по трубам .
Находим критерий Рейнольдса по уравнению 2.3.10 данные из таблицы 5.2.3:
Теплоотдача при плёночной конденсации насыщенного пара на наружной поверхности пучка вертикальных труб рассчитывается по уравнению:
где - коэффициент теплоотдачи Вт·К;
λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя при определяющей температуре Втм·К;
– вязкость теплоносителя при определяющей температуре Па·с;
– количество трубок в кожухотрубчатом теплообменнике (таблица 5.2.3);
– наружный диаметр трубок в теплообменнике (таблица 5.2.3) м;
Gг – расход горячего теплоносителя (таблица 2.2.2) кгс;
Находим внутренний диаметр трубок:
Таблица 6.2.3 – Физико – химические постоянные горячего теплоносителя
Коэффициент теплопроводности λ
Вязкость теплоносителя
Плотность вещества ρ
Из формулы 2.3.10 получаем:
Для нахождения коэффициента теплоотдачи холодного теплоносителя воспользуемся формулой:
где – коэффициент теплоотдачи холодного теплоносителя Вт·К;
Nu – критерий Нуссельта;
λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя Вт м·К;
- внутренний диаметр трубок в теплообменнике м.
Ламинарное течение жидкости в прямых трубах и каналах рассчитывается по формуле:
где Re – критерий Рейнольдса (уравнение 2.3.10);
Pr – критерий Прандтля;
– критерий Грасгофа.
Критерий Прандтля находим по формуле:
где – теплоемкость воды таблица 3.2.3 Дж кг·К;
– вязкость воды Па·с;
– коэффициент теплопроводности воды Вт(м·К).
Из формулы 2.3.16 получаем:
Критерий Грасгофа находим по формуле:
где d – внутренний диаметр трубки таблица 5.2.3 м;
g – ускорение свободного падения ;
ρ – плотность теплоносителя ;
– коэффициент объемного расширения теплоносителя ;
Δt – разность температур К;
– вязкость теплоносителя Па·с.
Из формулы 2.3.17 получаем:
Из формулы 2.3.15 имеем:
По формуле 2.3.14 находим коэффициент теплоотдачи холодного теплоносителя:
Рассчитываем приблизительное значение коэффициента теплопроводности:
По формуле 1.1.3 находим расчетную площадь:
Далее проводим сопоставление выбранного варианта нормализированного теплообменника с расчётным по величине коэффициента запаса площади теплообмена В:
Допускается как правило превышение стандартной поверхности нормализованного теплообменника над расчётной не более чем 20 %.
4 Механический расчет
Цель: рассчитать напряжения возникающие в аппарате.
Рассчитываются напряжения возникающие в трубах и кожухе теплообменника и сравниваются с допускаемыми напряжениями для материалов из которых выполнены трубы и кожух. Если выполняются условия и и кроме того обеспечивается надежность крепления труб в трубных решетках то есть удовлетворяется неравенство:
где – усилие растягивающее (сжимающее) трубки из-за температурных деформаций
– усилие растягивающее трубки из-за действия давления в аппарате
– допускаемое усилие Па;
– наружный диаметр труб м;
– толщина трубной решетки м;
то возможно использовать аппарат типа Н.
Величина зависит от способа крепления труб при крепление развальцовкой в гладких отверстиях .
Толщина трубной решетки рассчитывается по формуле:
Найдем толщину трубной решетки по формуле 2.4.2:
Если условия прочности и надежности крепления труб не выполняются то необходимо принимать аппарат типа К или же П и У.
Величины напряжения возникающие в трубах и кожухе аппарата:
Усилие растягивающее (сжимающее) трубки и кожух и обусловленное температурными деформациями можно вычислить по формуле:
где – коэффициент линейного расширения материала трубки и кожуха
– температуры трубок и кожуха при рабочих условиях K;
E – модуль упругости материала трубок и кожуха
– суммарная площадь сечения трубок
– суммарная площадь сечения кожуха
Материал трубок и кожуха примем одинаковым с целью снижения разности температурных удлинений которые возникают если кожух и трубки изготовлены из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения.
В качестве материала для труб и кожуха принимаем хромоникелетитановая аустенитная сталь 12Х18Н10Т. Она обладает высокой коррозионной стойкостью в ряде жидких сред устойчива против межкристаллитной коррозии после сварочного нагрева и сравнительно мало охрупчивается в результате длительного воздействия высоких температур.
Таблица 2.4.1 Физико-механические свойства стали 12Х18Н10Т
Площади сечения трубок и кожуха рассчитаем по формулам:
где – внутренний диаметр труб м;
– внутренний диаметр кожуха м.
Усилия растягивающие трубки и кожух теплообменника и обусловленные давлениями в аппарате определяются формулами:
где суммарное растягивающее усилие:
где и – давление в межтрубном и трубном пространствах теплообменника Па.
Из формулы 2.4.10 находим суммарное растягивающее усилие:
Находим площади поперечного сечения труб и кожуха по формуле 2.4.6 и 2.4.7:
Определим усилия растягивающие трубки и кожух теплообменника и обусловленные давлениями в аппарате по формуле 2.4.8 и 2.4.9:
Из формулы 2.4.5 находим усилие растягивающее (сжимающее) трубки и кожух и обусловленное температурными деформациями:
Находим величины напряжения возникающие в трубах и кожухе аппарата по формулам 2.4.3 и 2.4.4:
Из неравенства 2.4.1 проверяем надежность крепления труб в решетке:
Исходя из результатов механического расчета величины напряжений не превышают допустимых значений для выбранного материала а также можно использовать аппарат типа Н.
5 Аппаратурный расчет
Цель: определить основные технические параметры кожухотрубчатого теплообменника типа Н.
Толщину цилиндрических обечаек рассчитывают по уравнению:
где – расчетное давление МПа;
– внутренний диаметр обечайки мм;
– допускаемое напряжение (таблица 2.4.1) МПа;
– коэффициент прочности сварного шва;
– прибавка для компенсации коррозии и эрозии мм;
– прибавка для компенсации минусового допуска мм;
При отсутствии ограничений в учебных проектах расчетное давление следует принять равным 10 или 16 МПа.
Коэффициент прочности сварного шва = 10.
Определим толщину обечайки по уравнению 2.5.1
В кожухотрубчатых теплообменных аппаратах применяют стандартные эллиптические и плоские днища.
Стандартное эллиптическое днище состоит из цилиндрической и выпуклой частей. Днища с наружными базовыми диаметрами используют для корпусов из труб. (таблица 2.5.1). где – наружный диаметр кожуха.
Таблица 2.5.1 – Размер эллиптического отбортованного днища мм
Необходимую толщину эллиптических днищ вычисляют по уравнению:
где – максимальный радиус кривизны днища мм;
Определяем максимальный радиус кривизны днища по уравнению 2.5.3:
Находим необходимую толщину эллиптических днищ по уравнению 2.5.2
В теплообменниках типа ТН трубы размещают по вершинам равносторонних треугольников. Значения шага (расстояния между осями труб) определяется наружным диаметром труб:
Таблица 2.5.2 – Значение шага в зависимости от наружного диаметра труб
Опорные лапы для вертикальных аппаратов состоят из двух вертикальных косынок и горизонтального основания.
Приваривают опоры непосредственно к корпусу теплообменника или к накладному листу прямоугольной формы для обеспечения жесткости корпуса в месте присоединения опоры.
Число опорных лап составляет – 2 штуки при мм.
Размеры опорных лап выбирают по таблице 2.5.3 в зависимости от максимальной нагрузки на одну опору.
Общую нагрузку на опоры теплообменника при гидравлическом испытании водой находят по уравнению:
Таблица 2.5.3 – Конструктивные размеры опорных лап мм
где – расстояние между косынками;
– диаметр отверстия.
Масса пустого аппарата складывается из масс кг:
– всех труб толщиной стенки
– обечайки корпуса и крышек длиной и :
– трубных решеток торцов крышек:
где – толщина указанных элементов м;
– плотность материала
Для стали 12х18н10т
Рассчитаем массу пустого аппарата по формулам 2.5.5 2.5.6 и 2.5.7:
В рабочем состоянии трубное и межтрубные пространства теплообменника заполнены теплоносителями а при гидравлическом испытании – водой. Объем трубного пространства с крышками и объем межтрубного пространства составляют :
По формулам 2.5.7 и 2.5.8 определяем объем трубного пространства с крышками и объем межтрубного пространства:
Общую нагрузку на опоры теплообменника при гидравлическом испытании водой находим по уравнению 2.5.4:
6 Гидравлический расчёт
Гидравлический расчет теплообменника необходим для определения мощности на валах насосов и вентиляторов а также для установления оптимального режима работы аппарата. Мощность необходимую для перемещения теплоносителя через аппарат определяют по формуле:
где – объемный расход теплоносителя
– перепад давления в аппарате Па;
– к.п.д. насоса или вентилятора.
Гидравлическое сопротивление аппарата складывается из потерь давления на преодоление сопротивления трения и на преодоление местных сопротивлений.
Гидравлическое сопротивление трубного пространства рассчитывают по уравнению:
где – длина теплообменной трубы м;
– плотность теплоносителя
– коэффициент сопротивления трения;
– внутренний диаметр трубы м;
– коэффициент местного сопротивления таблица 2.6.1;
– скорости потоков в трубах и штуцерах
Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства с поперечным обтеканием шахматного пучка труб рассчитывают по уравнениям:
где – критерий Эйлера;
– поправочный коэффициент учитывающий угол между осью трубы и направлением движения потока ;
– число труб в пучке;
– скорости потока в штуцере на входе и выходе из теплообменника ;
– скорость потока в межтрубном пространстве ;
– число Рейнольдса для горячего теплоносителя.
Число Рейнольдса горячего теплоносителя определяем по формуле:
где – скорость течения теплоносителя в межтрубном пространстве ;
– вязкость теплоносителя таблица 6.2.3 .
Коэффициент сопротивления трения при ламинарном движении потока определяют по формуле:
Скорость газового потока в штуцерах на входе и выходе из кожуха теплообменника равна:
где – расход газового потока и конденсата
и – диаметры штуцеров на входе и выходе из теплообменника м;
– плотности газа и конденсата
Скорость газового потока в межтрубном пространстве равна:
где – площадь поперечного сечения кожуха формула 2.4.7
Скорость холодного теплоносителя в трубах равна:
где – расход холодного теплоносителя
– площадь поперечного сечения трубного пространства
– плотность холодного теплоносителя
Скорость холодного теплоносителя в штуцерах на входе и выходе из теплообменника:
где – диаметр штуцера для холодного теплоносителя м.
Диаметр штуцера на входе в кожухотрубчатый теплообменник должен быть больше чем диаметр штуцера на выходе из теплообменника так как газовый поток обладает значительно меньшей плотностью и большим объемом потока чем у конденсата. Штуцера на входе и выходе холодного теплоносителя одинаковы [7].
Из формул 2.6.6 и 2.6.7 находим скорость газового потока в штуцерах на входе и выходе из кожуха теплообменника:
Из формулы 2.6.8 находим скорость газового потока в межтрубном пространстве:
Из формулы 2.6.9 определяем скорость холодного теплоносителя в трубах:
Из формулы 2.6.10 находим скорость холодного теплоносителя в штуцерах на входе и выходе из теплообменника:
Из формулы 2.6.4 находим число Рейнольдса для горячего теплоносителя:
Из формулы 2.6.5 определим коэффициент сопротивления трения при ламинарном движении потока:
Находим критерий Эйлера из формулы 2.6.4:
Находим гидравлическое сопротивление межтрубного пространства по формуле 2.6.3:
Находим гидравлическое сопротивление трубного пространства по формуле 2.6.2:
Определяем мощность вентилятора необходимую для перемещения горячего теплоносителя через аппарат по формуле 2.6.1:
По техническим характеристикам подходит вентилятор ВЦ 14-46 мощность электродвигателя
Определяем мощность насоса необходимую для перемещения холодного теплоносителя через аппарат по формуле 2.6.1:
По техническим характеристикам подходит насос БЦП-0.4-18 мощность электродвигателя .
Разработан проект кожухотрубчатого теплообменника по назначению – конденсатор жесткого типа Н с поперечным потоком теплоносителей.
В ходе работы были составлены материальный и тепловой балансы в результате которых были определены массовые расходы всех компонентов также установлен расход холодного теплоносителя – воды: По результатам теплового баланса был подобран стандартный кожухотрубный теплообменник с площадью поверхности теплообмена: и количеством труб
В результате аппаратурного и механического расчетов были рассчитаны напряжения возникающие в аппарате: а также определены основные характеристики аппарата.
В результате гидравлического расчета были рассчитаны сопротивления потоков а также была определена мощность вентилятора и насоса
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию Дытнерский Ю.И. Г. С. Борисов В. П. Брыков и др. Под ред. Ю. И. Дытнерского 1-е изд. Химия 1991. – 249с.
Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. Айнштейн В.Г. – Москва: Изд-воХимия 1999 – с. 185.
Машины и аппараты химических производств: учебное пособие Семакина О. К. Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета 2011 – 127 с.
Расчет и проектирование кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: учеб. пособие Н.И. Савельев П.М. Лукин. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та. 2010. – 80 с.
Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Теплообменные аппараты и ректификационные установки: Учебное пособие Ю. Я. Печенегов Р. И. Кузьмина: Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского. – Саратов: 2010 – 110 с.
Лащинский А.А. Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчет
химической аппаратуры. – Ленинград: Машиностроение 1970. – 752 с.